సింగిల్-ఫోటాన్ ఫోటోడెటెక్టర్ 80% సామర్థ్య అడ్డంకిని అధిగమించింది

సింగిల్-ఫోటాన్ ఫోటోడెటెక్టర్80% సామర్థ్య అడ్డంకిని అధిగమించాయి

సింగిల్-ఫోటాన్ఫోటోడిటెక్టర్వాటి కాంపాక్ట్ మరియు తక్కువ-ధర ప్రయోజనాల కారణంగా క్వాంటం ఫోటోనిక్స్ మరియు సింగిల్-ఫోటాన్ ఇమేజింగ్ రంగాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి, అయితే అవి ఈ క్రింది సాంకేతిక అడ్డంకులను ఎదుర్కొంటున్నాయి.

ప్రస్తుత సాంకేతిక పరిమితులు

1.CMOS మరియు సన్నని-జంక్షన్ SPAD: అవి అధిక ఏకీకరణ మరియు తక్కువ సమయ జిట్టర్ కలిగి ఉన్నప్పటికీ, శోషణ పొర సన్నగా ఉంటుంది (కొన్ని మైక్రోమీటర్లు), మరియు PDE నియర్-ఇన్ఫ్రారెడ్ ప్రాంతంలో పరిమితం చేయబడింది, 850 nm వద్ద కేవలం 32% మాత్రమే ఉంటుంది.

2. చిక్కటి-జంక్షన్ SPAD: ఇది పదుల మైక్రోమీటర్ల మందంతో శోషణ పొరను కలిగి ఉంటుంది. వాణిజ్య ఉత్పత్తులు 780 nm వద్ద దాదాపు 70% PDEని కలిగి ఉంటాయి, కానీ 80%ని ఛేదించడం చాలా సవాలుతో కూడుకున్నది.

3. సర్క్యూట్ పరిమితులను చదవండి: అధిక హిమపాత సంభావ్యతను నిర్ధారించడానికి థిక్-జంక్షన్ SPADకి 30V కంటే ఎక్కువ ఓవర్‌బయాస్ వోల్టేజ్ అవసరం. సాంప్రదాయ సర్క్యూట్‌లలో 68V క్వెన్చింగ్ వోల్టేజ్ ఉన్నప్పటికీ, PDEని 75.1%కి మాత్రమే పెంచవచ్చు.

పరిష్కారం

SPAD యొక్క సెమీకండక్టర్ నిర్మాణాన్ని ఆప్టిమైజ్ చేయండి. బ్యాక్-ఇల్యూమినేటెడ్ డిజైన్: సిలికాన్‌లో ఇన్సిడెంట్ ఫోటాన్లు ఘాటుగా క్షయం అవుతాయి. బ్యాక్-ఇల్యూమినేటెడ్ నిర్మాణం శోషణ పొరలో ఎక్కువ ఫోటాన్లు శోషించబడతాయని మరియు ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్లు హిమపాతం ప్రాంతంలోకి ఇంజెక్ట్ చేయబడతాయని నిర్ధారిస్తుంది. సిలికాన్‌లోని ఎలక్ట్రాన్ల అయనీకరణ రేటు రంధ్రాల కంటే ఎక్కువగా ఉన్నందున, ఎలక్ట్రాన్ ఇంజెక్షన్ హిమపాతం యొక్క అధిక సంభావ్యతను అందిస్తుంది. డోపింగ్ పరిహారం హిమపాతం ప్రాంతం: బోరాన్ మరియు భాస్వరం యొక్క నిరంతర వ్యాప్తి ప్రక్రియను ఉపయోగించడం ద్వారా, నిస్సార డోపింగ్‌ను తక్కువ క్రిస్టల్ లోపాలతో లోతైన ప్రాంతంలో విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని కేంద్రీకరించడానికి భర్తీ చేస్తారు, DCR వంటి శబ్దాన్ని సమర్థవంతంగా తగ్గిస్తారు.

2. అధిక-పనితీరు గల రీడౌట్ సర్క్యూట్. 50V హై యాంప్లిట్యూడ్ క్వెన్చింగ్ ఫాస్ట్ స్టేట్ ట్రాన్సిషన్; మల్టీమోడల్ ఆపరేషన్: FPGA కంట్రోల్ క్వెన్చింగ్ మరియు రీసెట్ సిగ్నల్‌లను కలపడం ద్వారా, ఫ్రీ ఆపరేషన్ (సిగ్నల్ ట్రిగ్గర్), గేటింగ్ (బాహ్య గేట్ డ్రైవ్) మరియు హైబ్రిడ్ మోడ్‌ల మధ్య ఫ్లెక్సిబుల్ స్విచింగ్ సాధించబడుతుంది.

3. పరికర తయారీ మరియు ప్యాకేజింగ్. SPAD వేఫర్ ప్రక్రియను బటర్‌ఫ్లై ప్యాకేజీతో స్వీకరించారు. SPAD AlN క్యారియర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌కు బంధించబడి థర్మోఎలెక్ట్రిక్ కూలర్ (TEC)పై నిలువుగా అమర్చబడి ఉంటుంది మరియు థర్మిస్టర్ ద్వారా ఉష్ణోగ్రత నియంత్రణ సాధించబడుతుంది. సమర్థవంతమైన కలపడం సాధించడానికి మల్టీమోడ్ ఆప్టికల్ ఫైబర్‌లు SPAD కేంద్రంతో ఖచ్చితంగా సమలేఖనం చేయబడతాయి.

4. పనితీరు క్రమాంకనం. 785 nm పికోసెకండ్ పల్స్డ్ లేజర్ డయోడ్ (100 kHz) మరియు టైమ్-డిజిటల్ కన్వర్టర్ (TDC, 10 ps రిజల్యూషన్) ఉపయోగించి క్రమాంకనం జరిగింది.

సారాంశం

SPAD నిర్మాణాన్ని (మందపాటి జంక్షన్, బ్యాక్-ఇల్యూమినేటెడ్, డోపింగ్ పరిహారం) ఆప్టిమైజ్ చేయడం ద్వారా మరియు 50 V క్వెన్చింగ్ సర్క్యూట్‌ను ఆవిష్కరించడం ద్వారా, ఈ అధ్యయనం సిలికాన్-ఆధారిత సింగిల్-ఫోటాన్ డిటెక్టర్ యొక్క PDEని 84.4% కొత్త ఎత్తుకు విజయవంతంగా నెట్టివేసింది. వాణిజ్య ఉత్పత్తులతో పోలిస్తే, దాని సమగ్ర పనితీరు గణనీయంగా మెరుగుపడింది, అల్ట్రా-హై సామర్థ్యం మరియు సౌకర్యవంతమైన ఆపరేషన్ అవసరమయ్యే క్వాంటం కమ్యూనికేషన్, క్వాంటం కంప్యూటింగ్ మరియు హై-సెన్సిటివిటీ ఇమేజింగ్ వంటి అనువర్తనాలకు ఆచరణాత్మక పరిష్కారాలను అందిస్తుంది. ఈ పని సిలికాన్-ఆధారిత మరింత అభివృద్ధికి బలమైన పునాది వేసింది.సింగిల్-ఫోటాన్ డిటెక్టర్టెక్నాలజీ.